T. C. GÜMÜŞhane üNİversitesi

Şekil 9: Bir rotametrenin ölçümleme eğrisi.

(3.11) bağıntısından görüldüğü gibi rotametreden geçen sıvının debisi, topacın y yükselme miktarı ile yaklaşık olarak doğru orantılıdır. Bu nedenle rotametre üreticileri debiyi, topacın y [cm] yükselmesine bağlı olarak doğrudan veren eğriler verirler. Motor deneylerinde, soğutma suyu debisi, topacın yükselme miktarından Şekil 9’daki gibi bir ölçümleme eğrisi kullanılarak da bulunabilir.

Son zamanlarda üretilen rotametrelerde ise kalibrasyon eğrisine de gerek kalmadan ratometreden geçen sıvının debisi doğrudan rotametre üzerindeki skaladan genelde [lt/dk] cinsinden okunabilmektedir.
4. TEK SİLİNDİRLİ, DEĞİŞKEN SIKIŞTIRMA ORANLI MOTOR DENEY DÜZENEĞİ

Burada örnek olarak, Apex Innovations firmasının üretmiş olduğu, tek silindirli, Değişken Sıkıştırma Oranlı Motor Deney Düzeneği tanıtılacaktır. Deney düzeneğinin şematik resmi Şekil 10’da görülmektedir. Deney düzeneğinin ve ana elemanlarının genel özellikleri aşağıda kısaca sıralanmıştır.

4.1 Motor

Deney motorunun kafası değiştirilerek benzin veya dizel motoru olarak çalışması sağlanabilmektedir. Ayrıca silinidir bloğu üzerinde bulunan sistem yarımıyla sıkıştırma oranı (618) aralığında ayarlanabilmektedir.

Şekil 10: Deney düzeneğinin genel görünüşü.

Deney motoru tek silindirli, dört zamanlı ve su soğutmalıdır. Dizel motoru durumunda sıkıştırma oranı 17,5 iken 1500 d/dk’da 3,5 kW, benzin motoru durumunda sıkıştırma oranı 8 iken 1800 d/dk’da 4,5 kW güç üretmektedir. Silindir çapı 87,5 mm, strok uzunluğu 110 mm, biyel boyu 234 mm ve strok hacmi 661 cm³ (0,661 lt) dir. Dönme yönü, volan tarafından bakıldığında saat ibrelerinin tersi yönündedir. Motor, benzin motoru olarak çalıştırılmak istendiğinde emme sistemine bir karbüratör eklenmekte ve manyetolu bir ateşleme düzeneği kullanılmaktadır. Motor, dizel motoru olarak çalıştırıldığında ise bir püskürtme pompası ile yakıt enjektöre gönderilmektedir.

Motorun ilk hareketi deney düzeneğine eklenen bir marş sitemi ile sağlanmaktadır. Ayrıca motor üzerinde, ilk çalıştırmada volan ve diğer hareketli elemanların kolaylıkla kinetik enerji kazanabilmeleri için bir dekompresyon kolu bulunmaktadır. Dekompresyon kolu ileriye itilip tutulduğunda egzoz supabı sürekli açık kalır ve sıkıştırma yapılmaz. Böylece ilk harekette motorun kolay hızlanması sağlanmış olur.
4.2 Elektrik Dinamometresi

Motor miline bağlı bir elektrik dinamometresi (eddy-current dinamometer) motoru yükleme görevini yapmakta ve momentin ölçülmesini sağlamaktadır.

Söz konusu elektrik dinamometresi, motor çalıştıktan sonra kontrol panosunda bulunan kumanda anahtarı kullanılarak motorun istenilen değerde yüklenmesini sağlar. Ayrıca dinamometre statoruna bağlı olan yükleme ünitesi (load-cell) sayesinde motorun milindeki döndürme momenti doğrudan ölçülmektedir.
4.3 Ölçü Aletleri ve Kumanda Panosu

Ölçü aletleri ve kumanda panosu hava, yakıt, su ve egzoz ile ilgili ölçü göstergelerini ve kumanda elemanlarını üzerinde bulundurur. Söz konusu düzenekte bulunan ölçü ve kumanda cihazları aşağıdaki gibi sıralanabilir.

• 
  Yakıt tüketimini ölçmek için ölçekli ve şeffaf bir kap,
  
• 
  Hava debisini ölçmek için hava tankı üzerine yerleştirilmiş orifis ve U-manometresi,
  
• 
  Soğutma suyu ve egzoz gazı kalorimetre suyu debisini ölçmek için rotametreler,
  
• 
  Soğutma suyu ve egzoz gazı kalorimetre suyu giriş ve çıkış sıcaklıklarını ölçmek için kullanılan termo-elemanların göstergeleri,
  
• 
  Egzoz gazı sıcaklığı ölçmek için kullanılan termo-elemanın göstergesi,
  
• 
  Dinamometrenin ürettiği elektrik akımının gerilim ve akım değerlerini gösteren voltmetre ve ampermetre,
  
• 
  Motora dizel yakıtı veya benzin göndermeyi sağlayan yakıt valfleri,
  
• 
  Yükleme anahtarı,
  

5. DENEY DÜZENEĞİNİN ÇALIŞTIRILMASI VE ÖLÇÜMLERİN ALINMASI

Deney düzeneğinin çalıştırılması ve deney süresince yapılacak başlıca işlemler aşağıdaki gibi sıralanabilir.

1. 
   Deney motoru çalıştırılmadan önce yağlama yağı ve soğutma suyu kontrol edilir. Eksiklik varsa giderilir. Ayrıca yakıt valfi açılarak ölçekli kabın yakıtla dolması sağlanır.
   
2. 
   Değişken sıkıştırma oranı düzeneği aracılığı ile sıkıştırma oranı belirli bir değere ayarlanır. Sıkıştırma oranı, benzin motoru olarak çalıştırmada (6-10) aralığında, dizel motoru olarak çalıştırmada (12-18) aralığında seçilir.
   
3. 
   Şebekeden elektrik akımının gelmesini sağlayan fişler takılarak su pompası, radyatör, kontrol panosundaki ölçüm sistemleri, deney düzeneğine bağlı bulunan bilgisayar ve verileri bilgisayara aktaran veri aktarma sistemi devreye sokulur.
   
4. 
   Kontrol panosu üzerinde bulunan ve elektrik dinamometresi ile bağlantılı ana şalter açılır ve yükleme anahtarı yüksüz duruma getirilerek motorun kolayca çalışması sağlanır.
   
5. 
   Deney motoru, dizel motoru olarak çalışırken devir sayısı sabit olup motor tarafından otomatik olarak ayarlanmaktadır. Benzin motoru olarak çalışma sırasında ise gaz kolu uygun gerekli konumda tutulur. Motor çalıştıktan sonra kontak anahtarı bırakılır.
   
6. 
   Motor çalışmaya başladıktan sonra belli bir süre (yaklaşık 3 dk) yüksüz durumda çalıştırılarak ısınması sağlanır. Daha sonra yükleme anahtarı kullanılarak motor istenen yükleme durumuna getirilir. Ölçüm alınmadan önce motorun bir süre (yaklaşık 1 dk) kararlı çalışması beklenir. Bilgisayar programı kullanılarak gerekli ölçümler alınır. Tüm yükleme durumlarında aynı işlemler tekrarlanır.
   
   1. 
      Sabit gaz durumunda deney (Taşıt motoru deneyi): Deney düzeneği sadece benzin motoru olarak değişken devir sayısında çalışmaktadır. Bu nedenle taşıt motorları deneyi sadece benzin motoru olarak çalışma durumunda yapılabilmektedir. Motor çalıştırılıp gaz kolu istenen konumuna ayarlandıktan sonra değişik yüklemeler altında farklı devir sayılarında ölçümler alınarak taşıt motoru deneyi gerçekleştirir.
      
   2. 
      Sabit devir sayısında deney (Stasyoner motor deneyi): Stasyoner motor deneyi hem benzin hem de dizel motor olarak çalışma durumunda yapılabilmektedir. Dizel motor olarak çalışma durumunda farklı yüklemeler altında devir sayısı motor tarafından otomatik olarak sabit tutulmaktadır. Benzin motoru olarak çalışma durumunda ise gaz kolu konumu değiştirilerek motorun farklı yüklemeler altında devir sayısı sabit tutulabilmektedir. Böylece farklı yüklemeler altında sabit devir sayısında gerekli ölçümler alınarak stasyoner motor deneyi gerçekleştirilir.
      
   3. 
      Motor geliştirme deneyleri: Motor geliştirme deneylerinde gaz kolu konumu sabit tutularak motorun incelenecek olan teknik özelliğinin (örneğin sıkıştırma oranının) çeşitli değerleri için yükleme durumu ayarlanarak devir sayısının sabit kalması sağlanır. Bu yolla değişik sıkıştırma oranlarında ve sabit devir sayısında istenen büyüklükler deneysel olarak belirlenir.
      
7. 
   Motor deneyi süresince ölçülecek büyüklükler: Genel olarak açıklanan ölçümlerin tümü yukarıda tanıtılan deney düzeneğinde yapılabilmektedir. Deneyin her adımında ölçülecek büyüklükler aşağıdaki gibi sıralanabilir.
   

1. 
   Elektrik dinamometresine bağlı yükleme ünitesinden yükleme miktarı [kg] cinsinden,
   
2. 
   Harcanan yakıt miktarı [kg/h] cinsinden,
   
3. 
   Rotametrelerin debisi [lt/dk] cinsinden,
   
4. 
   U manometresindeki seviye farkı [mm] cinsinden,
   
5. 
   Motor soğutma suyu giriş ve çıkış sıcaklıkları [^oC] cinsinden,
   
6. 
   Kalorimetre soğutma suyu giriş ve çıkış sıcaklıkları [^oC] cinsinden,
   
7. 
   Egzoz gazlarının sıcaklığı [^oC] cinsinden,
   
8. 
   Motorun devir sayısı [d/dk] cinsinden.
   

8. 
   Ölçüm alma işlemi tamamlandıktan sonra motor durdurulur. Motor durdurulduktan sonra su pompası ve radyatör bir süre (yaklaşık 5 dk) daha çalıştırılarak soğutma suyu sıcaklığının normale düşmesi sağlanır.
   

6. YAPILAN ÖLÇÜMLERDEN İSTENEN BÜYÜKLÜKLERİN HESAPLANMASI

Deney süresince her adımda yukarıdaki büyüklükler ölçüldükten sonra motorun çeşitli karakteristikleri aşağıdaki gibi belirlenebilir.

1. 
   PERFORMANS DEĞERLERİ
   

1. 
   Döndürme Momenti (M_d [Nm]):
   

Elektrik dinamometresine bağlı yükleme ünitesinden yük miktarı m[kg] olarak okunduktan sonra döndürme momenti yukarıda verilen (3.1) bağıntısından hesaplanabilir.

Burada; ve moment kolu uzunluğu ’dir.

2. 
   Efektif Güç (N_e [kW]):
   

n[d/dk] devir sayısı ve M_d [Nm] döndürme momenti bilindiğinde, efektif güç aşağıdaki gibi bulunur.

Motor deneyinin yapıldığı P₀, T₀ dış ortam koşulları ve havanın nemi motor performansını etkileyebilir. Farklı koşullarda yapılan motor deneylerinin sonuçlarının birbiriyle sağlıklı biçimde karşılaştırılabilmesi için standart koşullara dönüştürülmeleri ve nem açısından düzeltilmeleri gerekir.

Standart atmosfer koşulları : 20 ^oC; 1,013.10⁵ Pa

Deney yapılırkenki koşullar : T₀ [K]; P₀ [MPa]

olduğuna göre, deney sonunda belirlenen N_e efektif gücü, benzin motorları için

dizel motorları için

bağıntıları kullanılarak standart koşullara düzeltilebilir.

Ayrıca deney sırasında bağıl nem w_b ve kuru termometre sıcaklığı t_k veya kuru ve yaş termometre sıcaklıkları t_k ve t_y şeklinde ölçülmüşse, Şekil 11’de verilen psikrometrik diyagram kullanılarak x_nem nem düzeltme katsayısı belirlenebilir. Böylece standart koşullara dönüştürülmüş ve nem düzeltmesi yapılmış efektif güç aşağıdaki gibi belirlenir.

t = Kuru termometre sıcaklığı

tv = Yaş termometre sıcaklığı

ω = Özgül nem

φ = Bağıl nem

h = Entalpi

v = m³/kg kuru havanın özgül hacmi


Psikrometrik Diyagram
( Basınç 101,3 kPa = 1013 m bar = 760 mm Hg )

Şekil 11: Psikrometrik diyagram.

3. 
   Ortalama Efektif Basınç (P_me [kPa, bar]):
   

Efektif güç, devir sayısı ve motorun diğer özellikleri bilindiğinde

bağıntısı kullanılarak;

Burada; Böylece; V_h = 661,5 [cm³] = 0,6615 [lt] = 0,0006615 [m³] olarak elde edilir.

Ayrıca; silindir sayısı Z =1 ve dört zamanlı motorlar için k = 2’dir.

4. 
   Özgül Yakıt Tüketimi (b_e [kg yakıt / kWh]):
   

Saatlik toplam yakıt tüketimi yukarıda verilen (3.3) bağıntısından belirlendikten sonra özgül yakıt tüketimi aşağıdaki gibi hesaplanır.

5. 
   Efektif Verim (η_e [%]) :
   

Özgül yakıt tüketimi ile efektif verim arasındaki bağıntı kullanılarak efektif verim aşağıdaki gibi hesaplanır.

Burada, H_u kullanılan yakıtın alt ısıl değeri olup;

Benzin için : H_u = 44000 [kJ / kg]

Dizel yakıt için : H_u = 42000 [kJ / kg] olarak alınabilir.

6. 
   Hava Fazlalık Katsayısı (α):
   

Motora emilen havanın debisi, manometredeki yükseklik farkı Δh[mmSS] okunduktan sonra, deney sırasındaki ortam sıcaklığı T₀ [K] ve basıncı P₀ [mmHg] bir termometre ve bir barometre ile ölçülerek hava debisi yukarıda verilen (3.7) bağıntısından hesaplanır.

Deney düzeneğindeki orifisin çapı d= 20 mm = 0,02 m ve manometredeki su yoğunluğu 1000 kg/m³ olarak alınır.

Bir saatte harcanan toplam yakıt miktarı [kg yakıt/h] kullanılarak hava fazlalık katsayısı ise aşağıdaki gibi belirlenir.

Benzin için : h_min = 14,95 [kg hava / kg yakıt]

Dizel yakıt için : h_min = 14,45 [kg hava / kg yakıt]

7. 
   Volümetrik (Hacimsel) Verim (η_v [%])
   

Volümetrik verim gerçekte silindire emilen havanın, verilen koşullarda teorik olarak silindire alınması gereken havaya oranı olarak tanımlanır. Hava debisi yukarıdaki gibi belirlendikten sonra volümetrik verim aşağıdaki bağıntıdan hesaplanır.

2. 
   ENERJİ (ISI) DENGESİ
   
   1. 
      Motora Giren Isı Miktarı (Q_yakıt [kJ/h]):
      

Motora yakıtla giren enerji (ısı) miktarı toplam yakıt tüketimi ve yakıtın ısıl değerine bağlı olarak aşağıdaki gibi belirlenir.

2. 
   Faydalı İşe Çevrilen Isı Oranı (W_e / Q_yakıt):
   

Faydalı işe çevrilen ısı miktarı motorun ürettiği işe eşit olup efektif güce bağlı olarak aşağıdaki gibi belirlenir.

Böylece faydalı işe çevrilen ısı oranı olup efektif verime eşittir.

3. 
   Soğutma Suyuna Giden Isı Oranı (Q_{sogutma suyu} / Q_yakıt):
   

Soğutma suyu giriş ve çıkış sıcaklıkları ilgili termometrelerden ve soğutma suyunun debisi rotametreden okunduktan sonra soğutma suyuna giden ısı aşağıdaki gibi bulunur.

Böylece soğutma suyuna giden ısı oranı olur.

4. 
   Egzoza Giden Isı Oranı ( Q_egzoz / Q_yakıt):
   

Egzoz gazı kalorimetresi suyu giriş ve çıkış sıcaklıkları ilgili termometreden ve kalorimetre soğutma suyunun debisi rotametreden [lt/dak] cinsinden okunduktan sonra egzoza giden ısı aşağıdaki gibi bulunur.

Böylece egzoza giden ısı oranı şeklinde hesaplanır.

5. 
   Motorun Dış Yüzeylerinden Kaybedilen Isı Oranı (Q_yüzey / Q_yakıt):
   

Son olarak motor gövdesinden kaybedilen ısı miktarı ise aşağıdaki gibi belirlenir.

Böylece dış yüzeylerden kaybedilen ısı oranı şeklinde hesaplanır.
KAYNAKLAR

1. ……………, “Appex Innovation Multi-Fuel, Variable Compression Ratio, Single Cylinder Research Engine Test Setup”, Appex Innovation Pvt. Ltd., India.

2. Collet, C. V., A. D. Hope, “Engineering Measurements”, Pitman Books Limited, Massachusetts, Second Edition, 1983.

3. Holman, J. P., “Experimental Methods for Engineers”, Mc Graw-Hill, Kogakusha Ltd., 1978.

4. ……………, “Automotive Handbook”, Ed. U. Adler, Robert Bosch GmbH, Stuttgart, 1986.

5. Heywood, J. B., “Internal Combustion Engine Fundamentals”, Mc Graw-Hill, 1988.

6. Punt, M. ve Martyr, A., “Engine Testing, Theory and Practice”, Butterworth, 2001.

EK 1:

Deney sırasında ölçülen ve hesaplanan değerlerin deney türüne göre aşağıdaki gibi tablolar şeklinde düzenlenmesi karışıklığı önleyerek grafiklerin çizilmesinde kolaylık sağlar.

1. Sabit gaz durumunda deney ( Taşıt motoru deneyi ) :

Ortam sıcaklığı (T₀) =

Ortam basıncı (P₀) =

Bağıl nem, (w_b) =

Sıkıştırma oranı (ε) =

Ateşleme (püskürtme) avansı =

Yakıt cinsi :

Gaz kolu konumu :

Ölçülen Değerler Tablosu

n [d/dak]	n1=	n2=	n3=	n4=	n5=
m [kg]
[s]
[mmSS]
[lt/h]
[lt/h]
T1 [^oC]
T2 [^oC]
T3 [^oC]
T4 [^oC]
T5 [^oC]
T6 [^oC]

Hesaplanan Değerler Tablosu

n [d/dak]	n1 =	n2 =	n3 =	n4 =	n5 =
F [N]
Md [Nm]
Ne [KW]
Pme [kPa]
[kg yakıt/h]
be [kgy/kWh]
ηe [%]
[kg hava/h]
α [-]
ηv [%]
[kJ/h]
[%]
[kg/h]
[lt/h]
[kJ/h]
[%]
[kJ/h]
[%]
[kJ/h]
[%]

2.